Modellare l’efficienza energetica per la prossima generazione di microprocessori
Scienziati finanziati dall’UE hanno effettuato delle simulazioni, a partire dalla scala nanoscopica fino a giungere al livello del dispositivo, per determinare il consumo energetico di microchip e diodi a emissione di luce, o LED, allo scopo di spianare la strada a una futura generazione di dispositivi elettronici e di illuminazione più efficiente dal punto di vista energetico. Visto che il traffico di dati aumenta esponenzialmente ogni anno, esso risucchia sempre più energia per le comunicazioni, sia attraverso smartphone, tablet o PC, con l’attuale utilizzo di energia stimato tra il 5 % e il 10 % di tutta l’elettricità consumata a livello globale. Ogni domanda in un motore di ricerca su internet come Google entra in un enorme centro dati di computer collegati in rete. Le interconnessioni e i transistor nei microchip già ora consumano talmente tanta energia che la gestione dei livelli di calore creati dai componenti è diventato un importante problema nella progettazione per l’industria. “Internet sta già iniziando a fare delle richieste energetiche globali non sostenibili, che non potranno che peggiorare con lo sviluppo dell’internet delle cose,” dice il professor Eoin O’Reilly, coordinatore del progetto DEEPEN (From Atom-to-Device Explicit simulation Environment for Photonics and Electronics Nanostructure). “Se l’efficienza energetica non migliora, si può dedurre che entro, diciamo, 15 anni, esso rappresenterà il 50 % di tutta l’energia utilizzata e questo inizia a sembrare non sostenibile,” ha aggiunto. Il team del progetto ha simulato il consumo energetico nei componenti dei microchip e nei LED al fine di modellare l’efficienza energetica. Tuttavia, visto che i componenti si rimpiccioliscono fino alla scala nanoscopica, a volte fino a una larghezza di solo 50-100 atomi, le simulazioni che solitamente immaginano proprietà in massa o medie per i materiali semiconduttori non sono in grado di fornire un modello accurato per l’utilizzo energetico. I partner di DEEPEN, tra cui vi sono ricercatori, sviluppatori di software, esperti di simulazione e della sua applicazione alla progettazione di dispositivi, in aggiunta a partner dell’industria manifatturiera come ad esempio Osram in Germania, uno dei maggiori produttori di LED al mondo, hanno condotto simulazioni sia a livello di dispositivo che a livello atomistico, sviluppando un “archivio” di proprietà materiali e dei loro cambiamenti su differenti scale. “Il comportamento su scala nanoscopica diventa più importante man mano che si riduce la scala dei dispositivi,” dice il prof. O’Reilly, del Tyndall National Institute a Cork, in Irlanda. “Sulla scala più piccola è possibile descrivere le proprietà elettroniche con molta precisione, ma è molto dispendioso in termini di tempo e memoria di calcolo.” Perciò, gli esperti di DEEPEN hanno lavorato assieme per tre anni per ideare delle simulazioni multiscala usando differenti codici software informatici per vari problemi e hanno poi collegato i codici tra loro. Per i LED “le nostre simulazioni hanno scoperto che gli effetti atomici locali sono veramente importanti per comprendere le caratteristiche dell’emissione di luce dei LED verdi e blu. Questi effetti atomici locali erano stati finora ignorati quando si tentava di modellare (l’efficienza energetica) dei dispositivi,” afferma il prof. O’Reilly. Con i transistor, ossia i dispositivi semiconduttori con microchip che trasferiscono segnali elettronici usando l’energia elettrica, la modellazione tradizionale dell’efficienza energetica trattava i dispositivi come se possedessero delle proprietà medie. “Ma nel nostro progetto, per la prima volta, noi siamo riusciti a collegare la descrizione molto raffinata delle proprietà atomiche della regione attiva con il trattamento a livello più alto del resto del dispositivo,” ha detto. I modelli collegati, redatti grazie a contributi da altri progetti nel European Multiscale Modelling Cluster per creare nuovi standard e processi per una tale codifica, verranno usati per migliorare la progettazione della capacità del dispositivo. “Ci troviamo adesso in una posizione decisamente migliore per fornire linee guida di progettazione accurate all’industria dei semiconduttori e per supportare i suoi continui sforzi di ricerca nel campo dei dispositivi nanoelettronici efficienti dal punto di vista energetico,” conclude il prof. O’Reilly.
Parole chiave
DEEPEN, simulazione, energia, efficienza energetica, fotonica dell’illuminazione, nanotecnologia
